Недавно группа под руководством профессоров Чжан Синьчжэн, Чэнь Чжиган и Сюй Цзинцзюнь из Школы физических наук Нанкайского университета в сотрудничестве с профессором Иреной Древеншек Оленик из Института Стефана в Словении впервые продемонстрировала гибкий топологический лазер с вертикальной -резонаторной поверхностью-излучающим лазером с круговой поляризацией и высокой эффективностью преобразования лазера. Результаты исследования под названием «Топологические лазеры с поверхностным излучением на основе мягкой-материи-вертикальных резонаторов» были опубликованы в журнале Light: Science & Applications и выбраны в качестве обложки второго номера.
Этот топологический VCSEL основан на одномерной оптической сверхрешетчатой структуре, состоящей из полимерной холестерической жидкокристаллической пленки (PCLC), спин--покрытой флуоресцентной усиливающей средой, и коммерческой майларовой пленки. Сверхрешетка имеет модулированную потенциальную яму, которая нарушает инверсионную симметрию, аналогичную изоляторам Семенова и эффекту квантовой долины Холла в двумерном пространстве синтетических параметров. Они демонстрируют, что этот топологический VCSEL обеспечивает превосходное одномодовое лазерное излучение при низких мощностях накачки. Примечательно, что этот тонкопленочный топологический VCSEL предлагает чрезвычайно низкие производственные затраты, не требует сложных технологий изготовления, может быть легко интегрирован в подложки любой формы и сохраняет желаемые лазерные характеристики и способность управления лучом даже после нескольких изгибов.
В условиях постоянного развития оптических информационных технологий и растущего спроса на миниатюризацию, облегчение конструкции и интеграцию в фотонные чипы разработка встроенных в кристалл лазеров привлекает все большее внимание. Однако современные встроенные лазеры по-прежнему сталкиваются с серьезными проблемами, включая низкую выходную мощность и плохую стабильность. Лазеры с топологической защитой предлагают эффективный подход к проектированию, позволяющий добиться высокой стабильности и низкого порога внутри-лазеров на кристалле. Однако из-за ограничений, связанных с полупроводниковыми материалами, изготовление большинства топологических VCSEL в настоящее время требует сложных и точных процессов. Длины волн их генерации в основном ограничены ближним-инфракрасным диапазоном, и они обладают фиксированной геометрией, неспособной управлять поступательным лучом. Таким образом, недорогая-разработка механически гибких,-сохраняющих поляризацию и легких внутри-топологических VCSEL с использованием мягких материалов и новых принципов имеет значительную теоретическую и практическую ценность.
Фундаментальный принцип построения и пространство параметров синтеза одномерных гибких оптических сверхрешеток
В ходе исследования команда сначала соединила майларовые пленки двух разной толщины с тонкими пленками PCLC, чтобы сформировать одномерную бинарную оптическую сверхрешетчатую структуру, которая нарушает симметрию пространственной инверсии. Введя модуляцию коэффициента связи для построения синтетического пространства параметров, они выяснили разницу в топологических свойствах между сверхрешетками AB и BA с гетеро-узловыми потенциалами, аналогичными эффекту квантовой долины Холла в двумерных гексагональных решетках. Впоследствии они объединили сверхрешетки AB и BA с разными топологическими свойствами,-одна с одинаковой связью, а другая с гетеро-потенциалами сайтов-, чтобы создать топологически защищенные состояния интерфейса. Эти интерфейсные состояния демонстрируют высокую локализацию в запрещенной зоне и демонстрируют устойчивость к структурным беспорядкам, обеспечивая идеальную моду оптического резонатора для лазерной генерации. Экспериментально команда изготовила гибкое лазерное устройство с 17 слоями путем нанесения усиливающего красителя PM597 на поверхность тонкой пленки PCLC. При импульсной лазерной накачке с длиной волны 532 нм устройство достигало левосторонней топологической лазерной энергии с круговой поляризацией на длине волны 575,4 нм с порогом всего 0,47 мкДж (1,5 мВт·см⁻²), демонстрируя наклонную эффективность 4,0%. Лазерный луч демонстрирует превосходную направленность, его пространственное распределение полностью соответствует форме пятна накачки, что демонстрирует потенциальное применение для передачи и отображения изображений. Кроме того, фиксируя направление лазера накачки при изгибе и перемещении пленки снизу вверх, свет накачки освещал пять различных областей (I-V) образца, заставляя излучаемый лазер двигаться последовательно снизу вверх по оптическому экрану. Регулировка радиуса кривизны пленки VCSEL дополнительно контролирует угол поворота луча. Это свойство позволяет топологическому VCSEL излучать лазерный свет под разными углами без вращения лазерного устройства. Примечательно, что топологический VCSEL демонстрирует термическую стабильность, сохраняя свои первоначальные лазерные характеристики даже после длительной накачки. Эти характеристики обеспечивают интеграцию с различными носимыми фотонными устройствами для таких приложений, как носимые дисплеи, электронная защита от подделок и лазерное сканирование.
Демонстрация применения гибкой топологической системы VCSEL
Эта работа в основном проводилась в Нанкайском университете. Постдокторант Ван Юй и профессор Ся Шици из Нанкайского университета являются со-первыми авторами, а профессора Чжан Синьчжэн, Чэнь Чжиган и Сюй Цзинцзюнь — соответствующими авторами. Исследование получило поддержку со стороны Национальной ключевой программы исследований и разработок Китая, Национального фонда естественных наук Китая, Ключевого проекта Тяньцзиньского фонда естественных наук, Китайского фонда постдокторантов и Словенского исследовательского агентства.
Переведено с помощью DeepL.com (бесплатная версия)
